第5章 LonWorks智能控制网络

1、LON总线与总线与LonWorks技术技术第第5 5章章l5.1 LonWorks应用实例应用实例l5.2 LonWorks技术概要技术概要l5.3 神经元芯片神经元芯片l5.4 LonWorks智能控制网络的组成智能控制网络的组成 l5.5 LonTalk通信协议与通信协议与LonMark对象对象l5.6 面向对象编程语言面向对象编程语言Neuron Cl5.7 LonWorks开发工具开发工具 LonWorks 技术在技术在智能小区智能小区中的应用中的应用5.1 LonWorks应用实例应用实例LonWorks LonWorks 技术在数字家庭中的应用技术在数字家庭中的应用如：社区设备和设

2、施监控系统、电子巡更系如：社区设备和设施监控系统、电子巡更系统、防盗报警系统、火灾报警系统等互联统、防盗报警系统、火灾报警系统等互联LonWorks住宅社区控制网络的好处住宅社区控制网络的好处 3. 容易与其他监控系统，实现系统总集成，容易与其他监控系统，实现系统总集成，使各系统之间按要求实现联动和信息共享。使各系统之间按要求实现联动和信息共享。 1. 网络结构简单、布线容易、工程施工方便、网络结构简单、布线容易、工程施工方便、节省工程安装费用。节省工程安装费用。 2. 可灵活选择双绞线、电力线或其它通信媒可灵活选择双绞线、电力线或其它通信媒体，在许多场合可以避免重新布线。体，在许多场合可以避

3、免重新布线。 5. 通过通过Internet实现远程管理和监控，有助于实现远程管理和监控，有助于全局的集中管理，包括设备的远程监测、远程控全局的集中管理，包括设备的远程监测、远程控制和远程诊断。制和远程诊断。 4. 容易与社区管理微机局域网络实现联网和信容易与社区管理微机局域网络实现联网和信息共享。息共享。 6. LonWorks的互操作性保证总体规划和分的互操作性保证总体规划和分步实施能顺利实现。步实施能顺利实现。系统设计和实施的各个阶段采用统一的平台、统一系统设计和实施的各个阶段采用统一的平台、统一的协议、统一的工具，而分步实施过程中的各个系的协议、统一的工具，而分步实施过程中的各个系统设

4、备可以根据市场情况及性能价格比灵活选择。统设备可以根据市场情况及性能价格比灵活选择。 8. LonWorks的通信协议即的通信协议即LonTalk协议，已成协议，已成为许多国家和国际标准化组织采纳的控制网络通信为许多国家和国际标准化组织采纳的控制网络通信协议的标准。其协议的标准。其开放性和可互操作性开放性和可互操作性保证了住宅社保证了住宅社区数字化应用系统的标准化、可持续发展和建设，区数字化应用系统的标准化、可持续发展和建设，以保证业主的长期利益。以保证业主的长期利益。 7. 家居安防、设备监控与社区设备、设施的家居安防、设备监控与社区设备、设施的监控可以采用同一控制网络平台，有利于系统的监控

5、可以采用同一控制网络平台，有利于系统的实施、管理和维护。实施、管理和维护。5.2 LonWorks5.2 LonWorks技术概要技术概要 LON（Local Operating Networks）总线是美国总线是美国Echelon（埃施朗）公司（埃施朗）公司1992年推出的年推出的局部操作网络局部操作网络，因其高可靠性、，因其高可靠性、安全性、易于实现和互操作性，使其广泛应用在工业、楼宇、安全性、易于实现和互操作性，使其广泛应用在工业、楼宇、家庭、能源等自动化领域。家庭、能源等自动化领域。LON总线已成为当前最流行的现场总线已成为当前最流行的现场总线之一。总线之一。l Echelon公司为公

6、司为LON开发了配套的开发了配套的LonWorks技术技术。l LonWorks 使用的使用的开放式通信协议开放式通信协议LonTalk为设备之间交为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。换控制状态信息建立了一个通用的标准。LonTalk协议最协议最大的特点是大的特点是对对 OSI的七层协议的支持的七层协议的支持，是直接面向对象的，是直接面向对象的网络协议，这是其他的现场总线所不支持的。网络协议，这是其他的现场总线所不支持的。l 网络变量网络变量使节点之间的数据传递只是通过各个网络变量的使节点之间的数据传递只是通过各个网络变量的绑定便可完成。绑定便可完成。l 此外，由于此外，由于硬件芯

7、片硬件芯片的支持，实现了的支持，实现了实时性实时性和和接口直观、接口直观、简洁简洁的现场总线应用要求。的现场总线应用要求。l 神经元芯片神经元芯片（Neuron Chip）是）是LonWorks技术的核心，它技术的核心，它不仅是不仅是LON总线的总线的通信处理器通信处理器，同时也可作为采集和控制，同时也可作为采集和控制的通用处理器，的通用处理器，LonWorks技术中所有关于网络的操作实技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它实现的。际上都是通过它实现的。l LonTalk协议通过神经元芯片上的硬件和固件实现提取介协议通过神经元芯片上的硬件和固件实现提取介质存取、事务确认和点对点通信服务；还有

8、一些如认证、质存取、事务确认和点对点通信服务；还有一些如认证、优先级传输、单一优先级传输、单一/广播广播/组播消息发送等高级服务。组播消息发送等高级服务。l LonWorks技术提供了技术提供了开放系统设计平台开放系统设计平台，使不同公司生，使不同公司生产的同类产的同类LonWorks产品可以互操互换。产品可以互操互换。LonWorks产品产品的互操作标准由的互操作标准由LonMark协会制定。协会制定。LonWorks技术的特点技术的特点l 开放性开放性：网络协议开放，对任何用户平等：网络协议开放，对任何用户平等l 通信媒介通信媒介：可用多种媒介进行通信，包括双绞线、电力线、：可用多种媒介进

9、行通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线、红外等。而且在同一网络中可以光纤、同轴电缆、无线、红外等。而且在同一网络中可以有多种通信媒介有多种通信媒介l 互操作性互操作性：LonWorks通信协议通信协议LonTalk是符合是符合ISO定义的定义的开放互联（开放互联（OSI）模型。任何制造商的产品都可以实现互）模型。任何制造商的产品都可以实现互操作操作l 网络结构网络结构：可以是主从式、对等式或者客户：可以是主从式、对等式或者客户/服务器式服务器式（C/S）结构）结构l 网络拓扑网络拓扑：星形、总线型、环形、自由形：星形、总线型、环形、自由形l 网络通信采用面向对象的设计方法。网络通信采

10、用面向对象的设计方法。LonWorks网络技术网络技术称之为称之为“网络变量网络变量”，它使网络通信的设计简化成为参数，它使网络通信的设计简化成为参数设置，提高了通信的可靠性。设置，提高了通信的可靠性。l 每帧有效字节数每帧有效字节数：0228bytesl 通信速率通信速率：1.25Mbit/s 130m 78Kbit/s 2700ml 节点数节点数：32000个个l 提供强有力的提供强有力的开发工具平台开发工具平台：LonBuilder与与NodeBuilderl 核心元件：核心元件：Neuron芯片，具备通信和控制功能芯片，具备通信和控制功能l 改善了改善了CSMA，采用，采用可预测可预测

11、P坚持坚持CSMA，这样，在网络，这样，在网络负载很重的情况下，不会导致网络瘫痪负载很重的情况下，不会导致网络瘫痪LonWorks技术主要组成部分技术主要组成部分1）LonWorks节点和路由器；节点和路由器；2）LonWorks收发器；收发器；3）LonTalk协议；协议；4）LonWorks网络和节点开发工具网络和节点开发工具LON总线系统的开发总线系统的开发 LON总线系统的开发有两种途径：总线系统的开发有两种途径： 一种是基于开发工具一种是基于开发工具LonBuilder（节点和网络安装工具）（节点和网络安装工具）或或NodeBuilder（节点开发工具），使用（节点开发工具），使用N

12、euron C语言编程，语言编程，即即针对具体控制系统的要求编写应用代码，然后经过编译与通针对具体控制系统的要求编写应用代码，然后经过编译与通信协议代码连接生成总的目标代码信协议代码连接生成总的目标代码，一起烧录到节点的存储器，一起烧录到节点的存储器中。中。 另一种是基于图形方式的软件开发工具另一种是基于图形方式的软件开发工具Visual Control，通，通过过组态组态构成控制系统，自动编译生成总的目标代码，直接下载构成控制系统，自动编译生成总的目标代码，直接下载到节点的到节点的FlashROM中。对复杂系统，需编制自定义模块。中。对复杂系统，需编制自定义模块。5.3 神经元芯片神经元芯片

13、 LonWorks技术的核心是技术的核心是神经元芯片神经元芯片（Neuron Chip），），它提供通信、控制、介质访问、它提供通信、控制、介质访问、I/O接口等功能。神经元接口等功能。神经元芯片主要有芯片主要有3120和和3150两大系列。两大系列。 早期生产厂家：早期生产厂家：Motorola和和TOSHIBA 目前生产厂家：目前生产厂家：TOSHIBA和和Cypress TOSHIBA公司生产的神经元芯片型号为公司生产的神经元芯片型号为TMPN3120和和TMPN3150两个系列。两个系列。TMPN3150支持外部存储器，适支持外部存储器，适合功能较为复杂的应用场合；合功能较为复杂的应用

14、场合；TMPN3120不支持外部存储不支持外部存储器，它本身带有器，它本身带有EEPROM。1、神经元芯片的结构、神经元芯片的结构31503120神经元芯片的主要性能特点：神经元芯片的主要性能特点：l 高度集成，所需外部器件较少；高度集成，所需外部器件较少；l 内有三个内有三个CPU，分别实现不同功能；，分别实现不同功能；l 11个可编程个可编程I/O引脚，可设置引脚，可设置34种预编程工作方式；种预编程工作方式；l 两个两个16位定时位定时/计数器，计数器，15个软定时器；个软定时器；l 网络通信端口可设置为单端、差分、专用工作方式；网络通信端口可设置为单端、差分、专用工作方式；l 在外部存

15、储器中可固化在外部存储器中可固化LonTalk协议、协议、I/O驱动程序、事件驱动程序、事件驱动多任务调度程序等固件；驱动多任务调度程序等固件；l 提供用于远程识别和诊断的服务引脚；提供用于远程识别和诊断的服务引脚；l 48位内部位内部Neuron ID，用于惟一识别，用于惟一识别Neuron芯片。芯片。2、处理单元、处理单元OSI 1-2层OSI 3-6层OSI 用户编程Neuron芯片内有芯片内有三个处理器三个处理器：MAC处理器：处理器：完成介质访问控制（完成介质访问控制（1、2层），包括驱层），包括驱动通信子系统硬件和执行动通信子系统硬件和执行MAC算法。算法。网络处理器：网络处理器：

16、完成协议的完成协议的36层，包括处理网络变层，包括处理网络变量、寻址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管量、寻址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由等；同时，还控制网络通信端口、物理地理和路由等；同时，还控制网络通信端口、物理地址发送和接收数据包。址发送和接收数据包。应用处理器：应用处理器：完成用户的编程（完成用户的编程（7层），包括用户编层），包括用户编写的代码以及用户程序对操作系统的服务调用等。写的代码以及用户程序对操作系统的服务调用等。各处理器分别同时独立工作，通过缓冲器进行通信。各处理器分别同时独立工作，通过缓冲器进行通信。l 除应用层需由用户编程外，其余除应用层需由用户编程外

17、，其余6层都由层都由固件固件来完来完成。所谓固件就是固化在芯片内（或芯片外）成。所谓固件就是固化在芯片内（或芯片外）ROM中的有关通信协议的软件。用户可以完全不中的有关通信协议的软件。用户可以完全不必关心网络底层的事情，例如网络介质访问控制必关心网络底层的事情，例如网络介质访问控制等等，这些都由等等，这些都由MAC处理器和网络处理器自动完处理器和网络处理器自动完成。成。3、神经元芯片的存储器、神经元芯片的存储器l 3120芯片和芯片和3150芯片的存储器结构如图所示：芯片的存储器结构如图所示： （1） E2PROM 各种类型的神经元芯片都有内部各种类型的神经元芯片都有内部E2PROM，用于存储

18、网络用于存储网络配置和寻址信息、惟一的配置和寻址信息、惟一的48位神经芯片标识码、用户应用程序位神经芯片标识码、用户应用程序代码和常用数据代码和常用数据。E2PROM中的用户代码在程序控制下写入和中的用户代码在程序控制下写入和擦除，两者的总时间是擦除，两者的总时间是20ms/Byte，可以在数据不丢失情况下，可以在数据不丢失情况下，向向E2PROM写入写入10000次。次。 神经元芯片的神经元芯片的E2PROM存储安装详细信息（网络地址和通存储安装详细信息（网络地址和通信参数等）和由信参数等）和由LonBuilder或或NodeBuilder开发工具产生的应用开发工具产生的应用程序；程序；31

19、50神经元芯片的应用程序代码也可存储到外接存储器。神经元芯片的应用程序代码也可存储到外接存储器。 （2） RAM RAM用来用来存储堆栈段应用和系统数据，以及存储堆栈段应用和系统数据，以及LonTalk协议协议网络缓冲区和应用缓冲区数据网络缓冲区和应用缓冲区数据。只要神经元芯片维持加电状态，。只要神经元芯片维持加电状态，RAM状态就会保持（甚至在睡眠（状态就会保持（甚至在睡眠（Sleep）方式下），当芯片）方式下），当芯片复位（复位（Reset）时，）时，RAM内容清除。内容清除。 （3） ROM 所有所有3120神经元芯片包括神经元芯片包括10kB的的ROM，3150芯片无芯片无ROM。RO

20、M用来用来存储神经元芯片固件，包括存储神经元芯片固件，包括LonTalk协议、事件驱动协议、事件驱动任务调度器、应用函数库任务调度器、应用函数库。 （4） 外部存储器外部存储器 3150芯片不包括片上芯片不包括片上ROM，但可以允许寻址，但可以允许寻址59392个字节个字节的外部存储器。外部存储器的外部存储器。外部存储器存储应用程序和数据存储应用程序和数据（可多达（可多达43008个字节）、个字节）、神经元芯片固件神经元芯片固件和和保留空间保留空间（16384个字节），其中个字节），其中43008个字节中也可包括网络缓冲区和应用缓冲区。个字节中也可包括网络缓冲区和应用缓冲区。4、通信端口、通信

21、端口l 神经元芯片有一个多功能通信端口（神经元芯片有一个多功能通信端口（ CP0CP4），），为适为适合不同的通信介质，合不同的通信介质，可以将五个通信管脚配置成三种不同可以将五个通信管脚配置成三种不同的接口模式（的接口模式（单端、差分、专用单端、差分、专用），），以适合不同的编码方以适合不同的编码方案和不同的波特率案和不同的波特率。引脚引脚驱动电驱动电 流流（mA）单端模式单端模式差分模式差分模式专用模式专用模式CP01.4数据输入数据输入数据输入（）数据输入（）数据输入数据输入CP11.4数据输出数据输出数据输入（）数据输入（）数据输出数据输出CP240发送端使能发送端使能数据输出（）数据

22、输出（）位时钟输出位时钟输出CP340休眠状态输出休眠状态输出数据输出（）数据输出（）休眠输出或休眠输出或唤醒输入唤醒输入CP41.4冲突检测输入冲突检测输入冲突检测输入冲突检测输入帧时钟输出帧时钟输出表表1 三种通信方式下引脚功能比较三种通信方式下引脚功能比较 单端模式通信端口单端模式通信端口l 单端模式是指单端模式是指LON总线中使用最广泛的一种模式，总线中使用最广泛的一种模式，无线、无线、红外、光纤和同轴电缆红外、光纤和同轴电缆都使用该模式。都使用该模式。l 数据通信是通过单端输入输出引脚数据通信是通过单端输入输出引脚CP0和和CP1。该模式还。该模式还包含低有效的包含低有效的睡眠输出（

23、睡眠输出（CP3），它可以使当神经元芯片，它可以使当神经元芯片进入睡眠状态时收发器进入掉电状态。进入睡眠状态时收发器进入掉电状态。l 数据编码和解码使用的是数据编码和解码使用的是差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码。这种编码方。这种编码方式有利于在接收端从数据流中提取发送端的时钟信息而不式有利于在接收端从数据流中提取发送端的时钟信息而不需专用时钟线。需专用时钟线。l 在正式发送报文之前，发送端发送一个在正式发送报文之前，发送端发送一个同步头同步头以确保接收以确保接收节点接收时钟同步。该同步头包括一个位（比特）同步域节点接收时钟同步。该同步头包括一个位（比特）同步域和一个字节同步域。和一个字节同步域

24、。位同步域位同步域是一串差分曼彻斯特编码的是一串差分曼彻斯特编码的“1”，位同步的长度是可变的，以适应不同的通信介质。，位同步的长度是可变的，以适应不同的通信介质。字节同步域字节同步域是是1位差分曼彻斯特编码的位差分曼彻斯特编码的“0”，表示同步头，表示同步头结束，开始正式报文的第一个字节。结束，开始正式报文的第一个字节。l 报文结束时，神经元芯片通信端口强制差分曼彻斯特编码报文结束时，神经元芯片通信端口强制差分曼彻斯特编码为一个为一个线路空码线路空码，并保持到接收端确认发送的报文结束。，并保持到接收端确认发送的报文结束。线路空码线路空码根据发送数据的根据发送数据的最后最后1位高低状态位高低状

25、态来保持线路在来保持线路在线路空码时为高电平或低电平。线路空码在线路空码时为高电平或低电平。线路空码在CRC校验码校验码的的最后一位开始，最后一位开始，延时两位延时两位结束。结束。l 神经元芯片支持一个低有效的神经元芯片支持一个低有效的收发器碰撞检测信号收发器碰撞检测信号，以保以保证通信的可靠性证通信的可靠性。如果碰撞检测允许，在发送的过程中，。如果碰撞检测允许，在发送的过程中，神经元芯片检测到神经元芯片检测到CP4为低，且低电平持续时间至少有一为低，且低电平持续时间至少有一个系统时钟，表示碰撞产生或正在发生，并通知神经元芯个系统时钟，表示碰撞产生或正在发生，并通知神经元芯片，报文重发。片，报

26、文重发。差分模式通信端口差分模式通信端口l 差分模式主要用于连接带隔离变压器的差分模式主要用于连接带隔离变压器的双绞线双绞线网络收发器。网络收发器。l 在差分模式下，神经元芯片支持内部的差分驱动，同时不再在差分模式下，神经元芯片支持内部的差分驱动，同时不再包括睡眠输出，通信口配置如上图。包括睡眠输出，通信口配置如上图。l 差分模式也是采用差分曼彻斯特编码，数据格式完全和单端差分模式也是采用差分曼彻斯特编码，数据格式完全和单端模式相同。模式相同。专用模式专用模式l 在一些专用场合，需要神经元芯片直接提供没有编码和不在一些专用场合，需要神经元芯片直接提供没有编码和不加同步头的原始报文。在这种情况下

27、，需要一个加同步头的原始报文。在这种情况下，需要一个智能的收智能的收发器发器处理从网络上或从神经元芯片上来的数据。处理从网络上或从神经元芯片上来的数据。l 发送过程：发送过程：从神经元芯片接受到这种原始报文，重新编码，从神经元芯片接受到这种原始报文，重新编码，并插入同步头；并插入同步头；l 接收过程：接收过程：从网络上收到数据，去掉同步头，重新解码，从网络上收到数据，去掉同步头，重新解码，然后送到神经元芯片。然后送到神经元芯片。l 在专用模式时，在专用模式时，CP2和和CP4分别输出分别输出位和帧的同步时钟信位和帧的同步时钟信号号，可用于和用户设计的，可用于和用户设计的智能型网络收发器智能型网

28、络收发器连接，便于用连接，便于用户任意地构成自己所需要的方式，这样就大大提高了神经户任意地构成自己所需要的方式，这样就大大提高了神经元芯片在通信方式上的灵活性。元芯片在通信方式上的灵活性。5、 定时器定时器/计数器计数器l 在神经元芯片中有两个在神经元芯片中有两个16位的定时器位的定时器/计数器，即定时器计数器，即定时器/计数器计数器1和定时器和定时器/计数器计数器2。l 计时器计时器/计数器计数器1又可称为又可称为多路复用多路复用定时器定时器/计数器，其输入计数器，其输入引脚可通过一个可编程多路转换器在引脚可通过一个可编程多路转换器在IO4IO7中选择，中选择，而输出为而输出为IO0。l 定

29、时器定时器/计数器计数器2称为专用定时器称为专用定时器/计数器，它的输入接引脚计数器，它的输入接引脚IO4，输出接，输出接IO1。l 定时器定时器/计数器电路原理如图所示。计数器电路原理如图所示。l 若定时器若定时器/计数器只用作输入信号，则计数器只用作输入信号，则IO0和和IO1可作它用。可作它用。l 定时器定时器/计数器的时钟和使能输入计数器的时钟和使能输入可从外部引脚输入，也可将可从外部引脚输入，也可将系统时钟分频后输入系统时钟分频后输入，两个定时器两个定时器/计数器的时钟频率相互独计数器的时钟频率相互独立立。外部时钟的作用可选择在脉冲的上升沿和下降沿外部时钟的作用可选择在脉冲的上升沿和

30、下降沿。6、输入、输入/输出输出l 在一个控制单元中需要有采集和控制的功能，为此在神经在一个控制单元中需要有采集和控制的功能，为此在神经元芯片上特设置元芯片上特设置11个个I/O口，即口，即IO0IO10。这。这11个个I/O口口可根据不同的需求进行灵活配置，可根据不同的需求进行灵活配置，便于同外围设备进行接便于同外围设备进行接口口，如可配置成，如可配置成RS232、并口、定时、并口、定时/计数计数I/O、位、位I/O等。等。l 根据不同外部设备根据不同外部设备I/O的要求，采用的要求，采用Neuron C语言，编程语言，编程人员人员可以定义一个或多个引脚作为输入可以定义一个或多个引脚作为输入

31、/输出对象输出对象，灵活灵活地配置输入地配置输入/输出方式输出方式。用户程序可通过。用户程序可通过“io_in（）（）”和和“io_out（）（）”系统调用来访问这些系统调用来访问这些I/O对象，并在程序执对象，并在程序执行期间完成输入行期间完成输入/输出操作。输出操作。7、时钟系统、睡眠唤醒机制、时钟系统、睡眠唤醒机制 在神经元芯片中包括一个在神经元芯片中包括一个分频器分频器，通过外部的一个输入晶通过外部的一个输入晶振来输入时钟振来输入时钟。神经元芯片正常工作频率为。神经元芯片正常工作频率为625kHz10MHz（625kHz是对于低电压神经元芯片来说的）。是对于低电压神经元芯片来说的）。

32、神经元芯片神经元芯片可以通过软件设置进入低电压的睡眠状态可以通过软件设置进入低电压的睡眠状态；在；在这种模式中，系统时钟、使用的程序时钟和计数器关闭，但是这种模式中，系统时钟、使用的程序时钟和计数器关闭，但是使用的状态信息（包括神经元芯片的内部使用的状态信息（包括神经元芯片的内部RAM）被保留。当）被保留。当输输入有如下的转换时，其中包括：入有如下的转换时，其中包括：I/O管脚的输入（可屏蔽）、管脚的输入（可屏蔽）、IO4-IO7、Service管脚信号、通信端口（可屏蔽）、差分模式管脚信号、通信端口（可屏蔽）、差分模式CP0或或CP1、单端模式、单端模式CP0、专用模式、专用模式CP3，正常

33、的系统操作被，正常的系统操作被恢复。恢复。8、Service引脚引脚 Service引脚是神经元芯片里的一个非常重要的引脚，在节引脚是神经元芯片里的一个非常重要的引脚，在节点的配置、安装和维护的时候都需要使用该引脚。该引脚既能点的配置、安装和维护的时候都需要使用该引脚。该引脚既能输入也能输出。输入也能输出。输出输出时，时，Service引脚通过一个低电平来点亮外引脚通过一个低电平来点亮外部的部的LED，LED保持为亮表示该节点没有应用代码或芯片已坏；保持为亮表示该节点没有应用代码或芯片已坏；LED以以1/2Hz的频率闪烁表示该节点处于未配置状态。的频率闪烁表示该节点处于未配置状态。输入输入时，

34、时，一个逻辑低电平使神经元芯片传送一个包括该节点一个逻辑低电平使神经元芯片传送一个包括该节点48位位Neuron ID的网络管理消息。的网络管理消息。9、Watchdog定时器定时器 神经元芯片为神经元芯片为防止软件失效和存储器错误防止软件失效和存储器错误，包含三个，包含三个Watchdog定时器（每个定时器（每个CPU一个）。如果应用软件和系统没有一个）。如果应用软件和系统没有定时地刷新这些定时地刷新这些Watchdog定时器，整个神经元芯片将自动复位。定时器，整个神经元芯片将自动复位。 Watchdog定时器的复位周期依赖于神经元芯片输入时钟的定时器的复位周期依赖于神经元芯片输入时钟的频率

35、，例如在输入时钟频率为频率，例如在输入时钟频率为10MHz时，时，Watchdog定时器周期定时器周期是是0.84s。当神经元芯片处于睡眠状态时，所有的。当神经元芯片处于睡眠状态时，所有的Watchdog定时定时器被禁止。器被禁止。 神经元芯片神经元芯片支持节电方式支持节电方式，在这种节电方式下系统时钟和，在这种节电方式下系统时钟和计数器关闭，但是状态信息，包括计数器关闭，但是状态信息，包括RAM中的信息不会改变，一中的信息不会改变，一旦旦I/O状态变化，或网络上信息有变，系统便会激活神经元芯片。状态变化，或网络上信息有变，系统便会激活神经元芯片。它的内部还有一个最高它的内部还有一个最高1.2

36、5Mbit/s的独立于介质的收发器。的独立于介质的收发器。 由此可见在一个小小的神经元芯片中，由此可见在一个小小的神经元芯片中，不仅具有强大的通不仅具有强大的通信功能，更集采集控制于一体信功能，更集采集控制于一体。在某些情况下一个神经元芯片。在某些情况下一个神经元芯片加上几个分离元件便可成为一个加上几个分离元件便可成为一个DCS系统中独立的控制单元。系统中独立的控制单元。5.4 LonWorks5.4 LonWorks智能控制网络的组成智能控制网络的组成l 5.4.1 LonWorks智能控制网络结构智能控制网络结构l LonWorks智能控制网络结构包括五个部分智能控制网络结构包括五个部分:

37、l 网络协议网络协议（LonTalk）l LonTalk是面向对象的网络协议，支持是面向对象的网络协议，支持OSI七层协议，设七层协议，设备节点之间的数据传递通过备节点之间的数据传递通过网络变量网络变量的互联实现。的互联实现。l 网络传输介质网络传输介质l 网络设备网络设备 智能测控节点、路由器和网关等智能测控节点、路由器和网关等l 执行机构执行机构 传感器、变送器等传感器、变送器等l 管理软件管理软件 包括包括LonTalk开放式通信协议，并为设备之间交换控制状开放式通信协议，并为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准态信息建立了一个通用的标准 在在LonTalk协议的协调下，以往那些

38、孤立的设备融为协议的协调下，以往那些孤立的设备融为一体，形成一个网络控制系统。一体，形成一个网络控制系统。一、一、LonWorksLonWorks节点节点l LonWorks节点节点是指同是指同物理上与之相连的物理上与之相连的I/O设备设备进行控制或信息交换，并且在进行控制或信息交换，并且在LON网络上使用网络上使用LonTalk协议与协议与其它节点其它节点相互通信的一类对象。相互通信的一类对象。LON节点有两种类型：节点有两种类型：1、基于、基于Neuron芯片的节点芯片的节点2、基于主机的节点、基于主机的节点1、基于、基于Neuron芯片的节点芯片的节点l 这类节点中这类节点中Neuron

39、芯片是惟一的处理器芯片是惟一的处理器，适合，适合I/O设备较简单、处理任务不复杂的系统。设备较简单、处理任务不复杂的系统。2 2、基于主机的节点、基于主机的节点l 这类节点中，这类节点中，Neuron芯片仅仅作为通信协处理器芯片仅仅作为通信协处理器，充当充当LON网的网络接口，网的网络接口，节点应用程序由主处理节点应用程序由主处理器执行器执行。l 主处理器可以是主处理器可以是PC或其他任何微处理器。或其他任何微处理器。l 适合于对处理能力、输入适合于对处理能力、输入/输出能力要求较高的系输出能力要求较高的系统。统。采用采用MIP 结构的控制节点结构的控制节点通信通信协处理器协处理器复杂复杂测控

40、任务测控任务l 在基于主机的节点中，采用在基于主机的节点中，采用MIP（微处理器接口程序）（微处理器接口程序）接接口实现口实现PC机与机与LonWorks网络的联系，并可以开发自己的网络的联系，并可以开发自己的应用程序用于对网络监测、控制、网络管理等。应用程序用于对网络监测、控制、网络管理等。l 三种三种MIP接口接口： MIP/P20（3120芯片与芯片与CPU并行接口）并行接口） MIP/P50（3150芯片与芯片与CPU并行接口）并行接口） MIP/DPS（使用（使用DPRAM实现实现Neuron芯片与芯片与CPU通信）通信）二、二、 路由器路由器路由器路由器/网桥节点结构网桥节点结构R

41、TR-10路由器模块路由器模块l路由器用来连接不同通信介质的路由器用来连接不同通信介质的LON网络。网络。一个路由器通常由一个路由器通常由两个互联的神经节点构成，每个节点的收发器类型与路由器所连两个互联的神经节点构成，每个节点的收发器类型与路由器所连接的信道兼容。接的信道兼容。l 透明地支持多种传输媒介是透明地支持多种传输媒介是LonWorks技术中一技术中一项独特功能，它使得开发者选择最适合他们需求项独特功能，它使得开发者选择最适合他们需求的传输媒介和通信方法。这种的传输媒介和通信方法。这种多介质的支持多介质的支持是通是通过路由器实现的。过路由器实现的。l 路由器能够用于控制网络交通和分割网

42、络，路由器能够用于控制网络交通和分割网络，增加增加网络吞吐量和容量网络吞吐量和容量。基于。基于LNS的网络工具可以根的网络工具可以根据网络拓扑结构自动地配置路由器，使得路由器据网络拓扑结构自动地配置路由器，使得路由器的安装变得非常简单，并且对于节点而言，它是的安装变得非常简单，并且对于节点而言，它是完全透明的。完全透明的。 路由器种类路由器种类 一个路由器连接两个信道并且在信道间转发数据包。一个路由器连接两个信道并且在信道间转发数据包。路由器可由以下路由器可由以下4种路由算法之一配置。种路由算法之一配置。l 中继器：中继器：最简单的路由器，数据包只能前向传输。利用中最简单的路由器，数据包只能前

43、向传输。利用中继器，一个子网可以跨越多个信道。继器，一个子网可以跨越多个信道。l 网桥：网桥：在两个信道间前向转发，并与本域的所有数据包相在两个信道间前向转发，并与本域的所有数据包相匹配。利用网桥，子网可以跨越多个信道。匹配。利用网桥，子网可以跨越多个信道。l 学习路由器：学习路由器：监视网络流量并在域监视网络流量并在域/子网级感知网络的拓子网级感知网络的拓扑结构，利用所学知识在信道间为数据包选择路径。扑结构，利用所学知识在信道间为数据包选择路径。l 配置路由器：配置路由器：借助内部路由表在信道间为数据包选择路径。借助内部路由表在信道间为数据包选择路径。内部路由表由网络管理工具定义。内部路由表

44、由网络管理工具定义。l 三、网络协议三、网络协议l 设备在运行程序的适当时刻发布信息。由于这些程序不是设备在运行程序的适当时刻发布信息。由于这些程序不是同步运行，也可能有多个设备试图同时对话，因此，设备同步运行，也可能有多个设备试图同时对话，因此，设备间的信息传递需要以一系列的规则和进程的形式加以组织，间的信息传递需要以一系列的规则和进程的形式加以组织，这些规则和进程称为通信协议这些规则和进程称为通信协议，简称协议。，简称协议。l 协议定义了设备间传递的信息格式，并且定义了一个设备协议定义了设备间传递的信息格式，并且定义了一个设备对另一个设备在发送信息时所期望对方采取的操作。对另一个设备在发送

45、信息时所期望对方采取的操作。l 协议通常采用嵌入软件形式并驻留在设备内，或通过网络协议通常采用嵌入软件形式并驻留在设备内，或通过网络管理工具下载到设备中。管理工具下载到设备中。l LonWoks技术采用技术采用LonTalk协议。协议。l 四、通信媒介四、通信媒介l 通信媒介是节点（设备）之间信息传输的物理介质，包括通信媒介是节点（设备）之间信息传输的物理介质，包括双绞线、电力线、红外线、光纤和同轴电缆等。双绞线、电力线、红外线、光纤和同轴电缆等。五、网络管理工具五、网络管理工具l 一个典型的现场控制节点主要包括以下几个功能块：应用一个典型的现场控制节点主要包括以下几个功能块：应用CPU、I/

46、O处理单元、通信处理器、收发器和电源。当单处理单元、通信处理器、收发器和电源。当单个节点建成之后，节点之间需要互相通信，这就需要一个个节点建成之后，节点之间需要互相通信，这就需要一个网络工具网络工具为网络上的节点分配逻辑地址，同时也要将每个为网络上的节点分配逻辑地址，同时也要将每个节点的网络变量和报文连接起来。一旦网络建成并正常运节点的网络变量和报文连接起来。一旦网络建成并正常运行后，需要对其进行维护。网络系统中的上位机需要了解行后，需要对其进行维护。网络系统中的上位机需要了解所有节点的网络变量和显示报文变化的情况。所有节点的网络变量和显示报文变化的情况。l 网络管理工具的网络管理工具的主要功

47、能有：网络安装、网络维护、网络主要功能有：网络安装、网络维护、网络监控监控。5.4.2 LonWorks的技术支持的技术支持l LonWorks技术的目标是提高建造开放控制系统所需的便技术的目标是提高建造开放控制系统所需的便捷、具有优良性价比的开发平台。该平台提供一套完整的捷、具有优良性价比的开发平台。该平台提供一套完整的设计、创建和安装智能控制设备的工具。设计、创建和安装智能控制设备的工具。l LonWorks技术的关键部件包括：技术的关键部件包括：l 1.神经元芯片神经元芯片l 是一种专用于价格低廉的控制设备使之具有智能和网络功是一种专用于价格低廉的控制设备使之具有智能和网络功能的半导体器

48、件，包括通信功能，含有用户代码的应用处能的半导体器件，包括通信功能，含有用户代码的应用处理功能和由设备开发商提供的理功能和由设备开发商提供的I/O设备。设备。l 2.神经元芯片应用程序神经元芯片应用程序l LonWorks应用程序用应用程序用Neuron C编写。一旦编写完毕，编写。一旦编写完毕， Neuron C代码就被编译成机器码形式并下载到或连接到代码就被编译成机器码形式并下载到或连接到芯片上。芯片上。3.3.收发器收发器l 收发器提供神经元芯片与收发器提供神经元芯片与LonWorks网络的物理通信接口。网络的物理通信接口。收发器简化了可互操作的收发器简化了可互操作的LonWorks节点

49、的开发并用于许节点的开发并用于许多类型的通信介质的拓扑结构，具有不同收发器类型的产多类型的通信介质的拓扑结构，具有不同收发器类型的产品需要通过路由器实现节点之间的互操作。品需要通过路由器实现节点之间的互操作。l 由于突破了通信介质的限制，因此由于突破了通信介质的限制，因此LON总线可以根据不同总线可以根据不同的现场需要选择不同的收发器和通信介质的现场需要选择不同的收发器和通信介质。LON总线的收总线的收发器有：双绞线收发器、电力线收发器、无线发器有：双绞线收发器、电力线收发器、无线收发器、光收发器、光纤收发器等。纤收发器等。1）双绞线收发器）双绞线收发器最高速率最高速率1.25Mbps；挂；挂

50、64节节点，距离点，距离30m（1）直接驱动接口）直接驱动接口在许多设计中，双绞线收发器配置可以获得较高的性价比。在许多设计中，双绞线收发器配置可以获得较高的性价比。双绞线与双绞线与Neuron芯片芯片接口接口有以下三种基本类型：有以下三种基本类型：它使用神经元芯片的它使用神经元芯片的通信端通信端口口作为收发器，同时加入作为收发器，同时加入电电阻和瞬态抑制器阻和瞬态抑制器作为电流限作为电流限制和静电放电（制和静电放电（ESD）保护。）保护。（2）RS-485常用电气接口，在费用、常用电气接口，在费用、性能及体积上都有较多的性能及体积上都有较多的优势。优势。Neuron芯片通信芯片通信端口采用端

51、口采用单端工作方式单端工作方式，在外部部件参数不变的情在外部部件参数不变的情况下，能支持多种数据速况下，能支持多种数据速率（最高率（最高1.25Mbps）以及）以及多种类型的传输线。其共多种类型的传输线。其共模电压优于直接驱动，逊模电压优于直接驱动，逊于变压器耦合。于变压器耦合。共模电压范围共模电压范围-7+12V；为确保网络节点的互操作；为确保网络节点的互操作性，性，LonMark指标建议拥有指标建议拥有RS-485收发器的节点收发器的节点使用使用39Kbps的数据速率。的数据速率。（3）变压器耦合）变压器耦合对于需要对于需要高性能、高隔离度、高抗干扰能力高性能、高隔离度、高抗干扰能力的应用

52、，最好使的应用，最好使用变压器耦合接口。变压器耦合收发器设计的数据速率可达用变压器耦合接口。变压器耦合收发器设计的数据速率可达到到1.25Mbit/s。（应用广泛）。（应用广泛）l变压器耦合方式的几种收发器：变压器耦合方式的几种收发器：2）电力线收发器）电力线收发器 电力线收发器，是将通信数据调制成电力线收发器，是将通信数据调制成载波信号或扩频信号载波信号或扩频信号，然后通过耦合器耦合到然后通过耦合器耦合到220V或其他交直流电力线上，甚至是或其他交直流电力线上，甚至是没有电力的双绞线。没有电力的双绞线。 当当Neuron芯片与电力线收发器接口时，其通信端口应工作芯片与电力线收发器接口时，其通

53、信端口应工作在在单端工作方式单端工作方式，通信速率最高可达，通信速率最高可达10Kbit/s。3）无线收发器）无线收发器l 在在LonWorks技术中使用无线通信技术可达到两技术中使用无线通信技术可达到两个目的：应用范围更广；可选频率范围宽。个目的：应用范围更广；可选频率范围宽。l 与无线收发器接口的与无线收发器接口的Neuron芯片通信端口应工作芯片通信端口应工作在在单端工作方式单端工作方式，能达到的数据速率最大是，能达到的数据速率最大是4800bit/s。收发器实物收发器实物l4.LonWorks节点节点l 每个连接到网络上的每个连接到网络上的LonWorks设备称为节点。节点包括设备称为

54、节点。节点包括一个神经元芯片和收发器。一个神经元芯片和收发器。l 根据节点的功能，节点可以嵌入传感器、执行器、根据节点的功能，节点可以嵌入传感器、执行器、I/O外外围电路等。围电路等。l 节点的应用程序不仅接收和发送网络上的信息，而且可以节点的应用程序不仅接收和发送网络上的信息，而且可以进行传感信号和控制逻辑的数据处理，例如进行传感信号和控制逻辑的数据处理，例如PID控制、数控制、数据采集和调度。据采集和调度。l5.路由器路由器l 路由器支持多种通信介质，路由器也可以控制网络流量，路由器支持多种通信介质，路由器也可以控制网络流量，增加网络的吞吐率。增加网络的吞吐率。l 6.开发工具开发工具l

55、开发工具包括多节点开发环境、调试应用程序环境、安装开发工具包括多节点开发环境、调试应用程序环境、安装和配置节点的网络管理器和监视网络流量的协议分析仪。和配置节点的网络管理器和监视网络流量的协议分析仪。开发工具使产品开发商便于设计基于开发工具使产品开发商便于设计基于LON控制网络的节点。控制网络的节点。其中其中LonBuilder工具是一个开发多节点的集成工具，而工具是一个开发多节点的集成工具，而NodeBuilder是单节点开发工具；是单节点开发工具；LonMaker for Windows是网络设计和系统管理工具。是网络设计和系统管理工具。l 7.网络适配器网络适配器l 网络适配器是网络适配

56、器是网络接口设备网络接口设备，它并不连接传感器和执行器，它并不连接传感器和执行器，而是外部主机的物理接口。该设备的应用程序提供通信协而是外部主机的物理接口。该设备的应用程序提供通信协议和应用程序接口（议和应用程序接口（API），使得基于主机的程序可以访），使得基于主机的程序可以访问问LON网络。网络。l 8.网络操作系统（网络操作系统（NOS）l 提供一个公共的、支持诊断、控制、安装和配置的面向网提供一个公共的、支持诊断、控制、安装和配置的面向网络的系列服务。络的系列服务。5.5 LonWorks通信协议与通信协议与LonMark对象对象5.5.1 LonTalk协议介绍协议介绍 LonTal

57、k协议是协议是LON总线的专用协议，是总线的专用协议，是LonWorks技术的核心。技术的核心。它符合它符合ISO制订的开放系统互联制订的开放系统互联OSI标准，标准，具有完备的七层协议具有完备的七层协议。它具有。它具有LON总线的所有网络通信功总线的所有网络通信功能，包含一个网络操作系统，通过网络开发工具生成固件，能，包含一个网络操作系统，通过网络开发工具生成固件，使通信数据在各种介质中非常可靠地传输。使通信数据在各种介质中非常可靠地传输。 LonTalk协议提供一系列通信服务，可使一台设备的协议提供一系列通信服务，可使一台设备的应用程序可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其他设备应用程序可以

58、在不了解网络拓扑、名称、地址或其他设备功能的情况下发送和接收网络上其他设备的报文。还提供功能的情况下发送和接收网络上其他设备的报文。还提供端到端的报文确认端到端的报文确认、报文认证、打包业务和优先传送服务，、报文认证、打包业务和优先传送服务，支持网络管理服务，允许远程网络管理工具与网络设备进支持网络管理服务，允许远程网络管理工具与网络设备进行交互。行交互。1、LonTalk协议采用分级编码方式：协议采用分级编码方式： 域（域（Domain）、子网（）、子网（Subnet）、节点（）、节点（Node）2、LonTalk协议支持多种通讯介质：协议支持多种通讯介质： 即双绞线、同轴电缆、电力线、无线

59、、红外线、即双绞线、同轴电缆、电力线、无线、红外线、光纤光纤3、符合、符合LonTalk协议的各网络节点互操作性强：协议的各网络节点互操作性强： 可以彼此直接传输信号，完成控制动作可以彼此直接传输信号，完成控制动作4、符合符合LonTalk协议的各网络节点一般是短帧协议的各网络节点一般是短帧传播，传播，响应时间快，通信安全可靠响应时间快，通信安全可靠。一、一、LonTalkLonTalk协议特点协议特点二、二、LonTalk协议协议标准标准 OSI层次层次标准服务标准服务LON提供的服务提供的服务7应用层网络应用标准网络变量类型6表示层数据表示网络变量，外部帧传送5会话层远程遥控动作请求/响应

60、，认证，网络管理4传送层端对端的可靠传输应答，非应答，点对点。广播，认证等3网络层传输分组地址，路由2链路层链路层帧结构帧结构，数据解码，CRC错误检查MAC子层介质访问P预测CSMA，碰撞规避优先级，碰撞检测1物理层电路连接介质，电气接口LonTalk协议是一个分层的、基于数据包的协议是一个分层的、基于数据包的对等通信协议对等通信协议。LonTalkLonTalk七层结构七层结构1、物理层、物理层 定义通信信道上位流传输，确保源设备发送的位流准定义通信信道上位流传输，确保源设备发送的位流准确地被目的设备所接收。确地被目的设备所接收。 LonTalk在物理层协议上支持多种通信协议在物理层协议上